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1.前言

    随着年龄的增长，人体肌肉力量逐渐衰弱，其中下肢肌肉力量的衰减较为明显，以至于影响到老年人的行走能力，下肢助力外骨骼是一种穿戴在使用者下肢外部，进行助力行走及康复训练的人机一体化系统，故下肢外骨骼的研究对缓解日益严重的老龄化问题具有重要意义，此外，下肢外骨骼还可应用于交通、军事、救援、科考等诸多领域，减缓工作人员的体力消耗，提高工作效率。
    作者从2006年开展博士课题以来，一直致力于下肢外骨骼系统的研究，经过十余年的努力，在下肢外骨骼的结构设计、仿生驱动和智能控制等关键技术方面取得了相关的理论成果，并试制了基于人工气动肌肉、多模式弹性驱动器、液压等驱动的下肢外骨骼样机，通过实践，对下肢外骨骼系统有了深刻认识，同时，在借鉴国内外研究的基础上，特编著此书，本书的主要内容如下：
    第一章绪论。首先回顾了下肢外骨骼国内外的研究现状，国外对外骨骼系统的研究起步较早，无论是用来增强穿戴者运动能力和负重能力的外骨骼，还是用于辅助老年人和肌体损伤人士的助力行走康复外骨骼，都进行了相关研究。我国与国际研究水平相比仍有较大差距，因此研究下肢外骨骼机器人系统对缓解我国的老龄化压力等具有重要的意义。
    第二章人体下肢运动生物力学。人体生物力学是下肢外骨骼机器人研究的基础，进行人体行走运动机理、人体行走过程中下肢各关节的运动学及动力学研究，无论是对机构的仿生学设计还是复杂运动协调控制都将具有重要的借鉴意义。
    第三章仿生驱动器的研究。仿生驱动器技术是下肢外骨骼关键技术之一，决定下肢外骨骼机器人的性能优越，进行电机串联弹簧的驱动器的研究、多模式弹性驱动器的研究及类肌肉仿生驱动器的研究，并进行了仿生驱动器的应用研究。
    第四章下肢外骨骼机器人的动力学分析。基于人体行走运动生物力学，进行下肢外骨骼的机构设计研究。建立下肢外骨骼机械腿的多连杆动力学模型，对下肢外骨骼机械腿的支撑相、摆动相等动力学模型进行分析，并进行动力学的仿真分析研究。
    第五章下肢外骨骼机械腿的摆动控制研究。首先基于导纳模型对膝关节外骨骼进行控制研究，并研究融合肌电信号及穿戴者肌肉力估计的自适应振荡器控制。其后，进行下肢外骨骼机械腿髋关节及膝关节的协调控制研究。
    第六章下肢外骨骼机器人关节的人机协同运动研究。以踝关节外骨骼系统为例，设计踝关节外骨骼机构、研制足底测力系统、基于运动状态机进行踝足外骨骼控制系统研究，并进行踝足外骨骼系统行走实验研究，对其助力效果进行评价。
    本书在编著过程中得到了导师东南大学王兴松教授的指导，南京航空航天大学的贾山对本书的编著提供了支撑，南京工程学院的史金飞、朱松青教授对本书的编著给予了大力支持，我的研究生们在本书的编撰过程中也给予了诸多帮助，谨此一并致以衷心感谢!
    本书的工作是在国家自然科学基金项目（51205182）、江苏省自然科学基金（BK2012474）、中国博士后科学基金项目（2014M561548）、江苏省“六大人才高峰”高层次人才第十四批项目（JXQC-015）、江苏省重点研发计划（社会发展）项目（BE2019724）资助下开展的，在此一并表示感谢。本书在编写过程中参考了国内外相关的文献，在此向所有的作者表示诚挚的谢意!
     限于作者的学识水平，本书的内容体系难免存在不足，衷心希望广大读者给予批评和指教。

                                                                   韩亚丽2019年8月

2.目录

第一章绪论1
11研究背景和意义1
12下肢外骨骼的国内外研究现状2
121用于人体负重行走的下肢外骨骼国外研究现状2
122用于助老助残的下肢助力外骨骼国外研究现状4
123国内外骨骼研究概况6
13本书的主要内容11
第二章人体下肢运动生物力学18
21人体下肢关节及运动18
2.1.1髋关节19
2.1.2膝关节19
2.1.3踝关节19
22人体运动图像采集与分析20
221图像采集系统介绍21
222人体行走运动学研究23
223人体行走动力学研究32
224人体行走运动实验结果及分析36
225背部负重行走下的人体下肢运动学研究38
226不同行走速度下的人体下肢运动学研究43
227不同负重方式下的人体下肢运动学研究49
23人体运动生物电采集与分析51
231表面肌电信号系统概述51
232表面肌电信号的分析方法52
233表面肌电信号实验及分析54
第三章仿生驱动器的研究60
31串联弹性驱动器61
311弹性驱动器动力学模型61
312刚度系数变化对弹性驱动器性能的影响65
32多模式弹性驱动器67
321第一代弹性驱动器设计及分析68
322第二代弹性驱动器设计及分析86
323第三代弹性驱动器设计及分析104
33类肌肉仿生驱动器112
331基于生物肌肉启发的仿生驱动器原理分析113
332类肌肉仿生驱动器方案设计114
333类肌肉仿生驱动器的仿真分析120
334类肌肉仿生驱动器样机实验研究138
第四章下肢外骨骼机器人的动力学分析150
41动力学建模方法分析150
42基于拉格朗日法的下肢外骨骼机器人动力学分析及仿真151
421单脚支撑行走模式152
4.22双脚支撑行走模式157
423一脚虚触地的双脚支撑行走模式162
424下肢助力外骨骼动力学仿真166
43基于达朗伯—拉格朗日法的下肢外骨骼机器人动力学分析及仿真
171
4.31下肢外骨骼“二状态”动力学模型171
4.32CSP状态下的各关节扭矩计算174
433CSP状态下的足底力计算187
434NSP状态下的动力学模型193
4.35下肢外骨骼动力学模型的仿真验证196
4.36下肢外骨骼动力学模型的修正199
第五章下肢外骨骼机械腿的摆动控制研究202
51膝关节康复外骨骼的机构设计202
52膝关节康复外骨骼控制平台的搭建203
521硬件平台203
522控制系统整体框架204
5.3膝关节康复外骨骼动力学建模205
531基于惯量补偿的导纳控制研究206
532控制系统的稳定条件分析207
54膝关节康复外骨骼自适应频率振荡器模型及仿真210
541自适应频率振荡器模型210
542自适应频率振荡器的仿真211
55膝关节外骨骼机械腿的基于肌电信号学习的导纳控制研究213
551学习模式214
552助力模式224
56膝关节康复外骨骼的基于人体力矩估算的导纳控制研究229
561系统简介229
562实验结果232
57膝关节康复外骨骼的控制综合分析233
571两种控制方法对比分析233
572惯量补偿的效果分析235
58下肢康复机械腿的机构设计237
59下肢康复机械腿控制及实验240
第六章下肢外骨骼机器人关节的人机协同运动研究
——以踝关节助力外骨骼为例245
61踝关节助力外骨骼的机构设计245
611踝关节助力外骨骼的机械系统需求分析245
612踝关节助力外骨骼的整体机构设计246
613踝关节助力外骨骼关键部件的选型校核247
614踝关节助力外骨骼的虚拟样机仿真252
62基于足底测力系统的步态识别255
621足底测力系统的硬件设计256
622足底测力系统的软件设计258
623足底测力系统的实验研究260
624基于模糊理论的步态识别算法设计263
63踝关节助力外骨骼的控制及实验研究267
631踝关节外骨骼实验平台介绍267
632步态识别算法在踝关节外骨骼的应用研究268
633基于力矩闭环的PID控制和模糊自适应PID控制270
634踝关节助力外骨骼样机控制效果研究273
附录A279
附录B281